Misura dell'umidità e gas naturale liquefatto

Proteggere le linee di approvvigionamento, dalla liquefazione alla rigassificazione

Il gas naturale liquefatto (GNL) è una fonte energetica globale sempre più importante.  Gli analisti di mercato di Research and Markets prevedono che la domanda annuale crescerà di quasi il 9 % CAGR fino al 2026. 

A queste cifre fa eco l'ultimo rapporto Shell LNG market outlook, che sottolinea il ruolo futuro che il GNL probabilmente svolgerà nella decarbonizzazione, agendo sia come alternativa più pulita all'energia prodotta dal carbone sia come fornitura di riserva per le fonti di energia rinnovabili.  Il rapporto Shell avverte tuttavia che a lungo termine potrebbe esserci una discrepanza significativa tra domanda e offerta, che potrebbe raggiungere tra i 200 e i 300 milioni di tonnellate all'anno (MTPA) entro il 2040. 

Nel breve termine, la crescita della domanda, unita alla volatilità del mercato e dei costi, sta mettendo ancora più sotto pressione le reti di produzione e distribuzione del gas naturale esistenti, in termini di mantenimento dell'affidabilità del sistema e della qualità del gas, proteggendo al contempo i margini operativi. 

La liquefazione e la rigassificazione del gas naturale

Sebbene gli esperimenti per la liquefazione dei gas siano stati condotti fin dal XVIII secolo, solo alla fine del XIX secolo gli scienziati sono riusciti a liquefare il metano, il principale costituente del gas naturale.  Il primo impianto di liquefazione commerciale è stato aperto negli Stati Uniti solo negli anni '40, mentre il primo trasporto di GNL è avvenuto nel 1959, quando la nave Methane Pioneer, appositamente costruita, ha navigato tra la Louisiana e Canvey Island, nel Regno Unito. 

Oggi, la liquefazione e la rigassificazione del gas naturale sono diventate parte integrante e vitale del nostro approvvigionamento energetico globale, consentendo di trasportare grandi volumi di gas in modo sicuro e redditizio da località spesso remote a ogni punto di utilizzo.   

Il processo inizia facendo passare il gas naturale attraverso una serie di tubi e recipienti paralleli - noti come "treni" - dove vengono rimossi i liquidi più pesanti e le impurità.  Altre impurità, tra cui l'anidride carbonica e l'idrogeno solforato, vengono poi rimosse con solventi a base d'acqua, mentre i liquidi più leggeri del gas naturale (NGL), come il propano e il butano, vengono estratti per essere utilizzati separatamente, come sottoprodotto commerciale o come refrigerante nel processo di raffreddamento. 

Il gas risultante, principalmente metano con una piccola percentuale di etano, è quindi pronto per la liquefazione.  Questa avviene in scambiatori di calore dove viene raffreddato a -162 °C e il volume viene ridotto di 600 volte. Il liquido risultante, limpido, incolore e non tossico, è ideale per lo stoccaggio e il trasporto su lunghe distanze.  All'arrivo, viene poi riscaldato per riportarlo allo stato gassoso, adatto alla combustione nei sistemi di generazione di energia. 

L'umidità in tracce nel GNL

Il processo sopra descritto rimuove la maggior parte dell'acqua presente nel gas naturale.  Tuttavia, c'è sempre il rischio che nel gas rimangano tracce di umidità vaporizzata.  Questa può condensare e congelare in cristalli di ghiaccio.  Sotto pressione, l'umidità può anche creare strutture reticolari intorno alle molecole di metano, che successivamente si formano come idrati solidi.  In ogni caso, questi contaminanti possono causare blocchi nelle tubature o nelle valvole.   

È inoltre possibile che l'umidità si combini con altri contaminanti, come l'idrogeno solforato o l'anidride carbonica, formando acidi corrosivi che attaccano le superfici metalliche.  Inoltre, dopo la rigassificazione c'è il rischio che l'umidità in fase gassosa si condensi, causando la corrosione delle tubature.  Infine, sebbene raro, può verificarsi un fenomeno noto come "transizione di fase rapida", in cui il GNL che entra in contatto con l'acqua si espande rapidamente e rilascia in modo esplosivo alti livelli di energia.  

L'importanza della misurazione dell'umidità in tracce

La prevenzione di questi problemi richiede un controllo rigoroso di tutte le condizioni di processo, dall'estrazione del gas naturale fino al punto di combustione finale.  In particolare, il monitoraggio preciso dell'umidità è fondamentale, poiché anche livelli di umidità estremamente bassi o in tracce possono causare problemi.  

L'umidità viene normalmente rimossa dal gas naturale utilizzando sistemi di disidratazione a setaccio molecolare, in cui il gas viene forzato attraverso un letto di un essiccante come la zeolite (un minerale alluminosilicato) trattenuto da un materiale legante, di solito argilla.  La zeolite ha una struttura aperta simile a una gabbia con canali multipli, che la rende un materiale altamente efficace per assorbire le molecole d'acqua. 

La maggior parte dei sistemi utilizza particelle di zeolite di dimensioni diverse, disposte a strati all'interno di colonne di disidratazione multiple.  Le colonne funzionano simultaneamente, con le singole colonne che vengono rigenerate in sequenza mediante il back-flushing di gas secco ad alta temperatura attraverso il materiale disidratante.  Questo processo, tuttavia, richiede notevoli livelli di energia e può richiedere molto tempo: ogni ciclo di rigenerazione richiede periodi di riscaldamento, raffreddamento e stand-by prima che la colonna possa essere rimessa in funzione. 

La chiave per un funzionamento efficiente è il monitoraggio preciso dei livelli di umidità in tracce del gas in uscita dal sistema di disidratazione.  Grazie ai dati forniti, ad esempio, da uno dei nostri più recenti analizzatori a microbilancia a cristalli di quarzo, è possibile garantire la qualità del gas, proteggendo i sistemi a valle e rispettando le specifiche commerciali e tecniche richieste, ottimizzando al contempo il funzionamento di ogni colonna di disidratazione.  

In particolare, la misurazione dell'umidità permette di diminuire la frequenza dei cicli di rigenerazione, consentendo a ciascuna colonna di rimanere in funzione più a lungo senza influire sulla qualità del gas e offrendo un notevole risparmio energetico.  Il monitoraggio preciso dell'umidità in traccia consente inoltre di creare profili di prestazioni dettagliati per ciascuna colonna di essiccazione, dando agli operatori dell'impianto la sicurezza di prolungare la vita funzionale dei materiali essiccanti, spesso ben oltre le date di sostituzione previste.  Questo ha un beneficio diretto in termini di disponibilità dell'impianto e di costi operativi. 

Sistemi di misurazione dell'umidità di traccia

I nostri sistemi sono progettati su misura e comprendono strumenti di analisi sofisticati, basati sulla tecnologia QCM (microbilancia a cristalli di quarzo) a risposta rapida, oltre a tutte le apparecchiature ausiliarie e agli accessori.  Questi sistemi sono in grado di fornire una misurazione in tempo quasi reale del contenuto di umidità in tracce ultra basso, fino a 0,01 ppmV. 

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Alla Michell Instruments abbiamo molti anni di esperienza nella progettazione e nella produzione di sistemi avanzati di misurazione dell'umidità in traccia in linea, da utilizzare per la disidratazione del setaccio molecolare del GNL e per altre applicazioni di misurazione dell'umidità nel settore del gas naturale. Se desiderate discutere le vostre esigenze, vi preghiamo di contattare il nostro team oggi stesso.

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Fonti:

Research and markets LNG market report

Shell LNG market outlook 2022

Science Direct